Первые результаты исследований Фобоса

Предварительные результаты последних исследований Фобоса
межпланетным зондом Марс-Экспресс
26 марта европейский межпланетный зонд Mars Express совершил очередной пролет вблизи
спутника Марса Фобоса. На этот раз он прошел на расстоянии 1304 км от поверхности небесного тела.
Этим сближением завершилась "февральско-мартовская кампания" работы зонда, в ходе которой
он 12 раз приближался к Фобосу:
16 февраля - на 991 км
22 февраля - на 574 км
25 февраля - на 398 км
28 февраля - на 226 км
3 марта - на 67 км
7 марта - на 107 км
10 марта - на 286 км
13 марта - на 476 км
16 марта - на 662 км
19 марта - на 848 км
23 марта - на 1341 км
26 марта - на 1304 км.
Текущая кампания была уникальной: она состояла из общего количества 12 сближений (больше,
чем любая кампания прежде), а минимальное расстояние подхода составило 77 км от центра луны, что
дает приблизительно 67 км от поверхности (самый близкий пролет любого космического корабля мимо
Фобоса до настоящего времени).
В этой сессии сближений с Фобосом акцент был сделан именно на ближайший пролет, так как это
"беспрецедентная возможность для изучения загадочной гравитации Фобоса"- как сказал Оливье
Витасс, менеджер проекта Mars Express.
Ранее Mars Express уже снимал Фобос при помощи стереокамеры высокого разрешения. В
результате данного исследования ученые пришли к удивительным выводам – базируясь на данных о
плотности и массе Фобоса был сделан вывод о том, что внутри Фобоса есть значительные полости, где
нет вообще ничего. Сейчас исследователи намерены подтвердить или опровергнуть эти сведения.
В рамках проведенных операций также был задействован радар Marsis, который работал в
специальном режиме, чтобы попытаться увидеть внутренности луны, находя структуры или некоторый
ключ к внутреннему составу спутника Марса.
Фобос вращается вокруг своей оси с тем же периодом, что и вокруг Марса, поэтому всегда
повернут к планете одной и той же стороной. Его орбита находится внутри предела Роша, и спутник не
разрывается только за счёт своей внутренней прочности. Такое расположение орбиты приводит к
тому, что с Фобоса срываются камни, часто оставляюшие заметные борозды на поверхности спутника.
Приливное воздействие Марса постепенно замедляет движение Фобоса, и в будущем приведет к его
падению на Марс.
Размеры Фобоса составляют 26,6×22,2×18,6 км, его поверхность усеяна кратерами, самый
крупный из которых Стикни, он имеет диаметр более 9 км. Удар, приведший к появлению такого
кратера, должен был буквально потрясти Фобос. Это же событие, вероятно, вызвало образование
системы загадочных параллельных борозд возле кратера. Они прослеживаются на расстояниях до 30 км
в длину и имеют ширину 100—200 метров при глубине 10—20 метров.
1. Точные измерения гравитационного поля Фобоса
Сильный акцент был сделан именно на самый близкий пролет потому, что это - беспрецедентная
возможность нанести на карту поле гравитации Фобоса. В этом диапазоне расстояний Марс Экспресс
должен чувствовать различия в притяжении к Фобосу, зависящему от того, какая часть луны является
самой близкой к нему в это время. Это позволит ученым определить внутреннюю структуру луны.
Предыдущие пролеты Марс Экспресс уже обеспечили наиболее точное значение массы Фобоса, а
снимки стереокамеры высокого разрешения (HRSC) обеспечили точное вычисление объема спутника.
Самые последние уточненные данные о массе и плотности Фобоса приведены в статье [1] в журнале
Geophysical Research Letters, в данное время находящейся в печати. В резюме статьи сообщается о
независимых исследованиях двух подгрупп команды радиоизмерений космического корабля Марс
Экспресс, которые независимо анализировали данные радио от Марс Экспресс (MЭ) и данные
траекторных измерений с целью определения гравитационного притяжения космического корабля MЭ к
луне Фобос, и следовательно массы Фобоса. Новые значения гравитационного параметра
(гравитационная постоянная, умноженная на массу) GM=0.7127 ± 0.0021 x 10-³ км³/с² и плотности
Фобоса ρ = 1876 ± 20 кг/м 3 обеспечивают новые ограничения на соответствующий диапазон
пористости тела (30 % ± 5 %) и предусматривают основание для улучшенной интерпретации
внутренней структуры. Авторы заключают, что внутренности Фобоса вероятно содержат большие
пустоты. Применительно к различным гипотезам, обьясняющим происхождение Фобоса, эти
результаты противоречат суждению, что Фобос является захваченным астероидом.
Предыдущие оценки массы и плотности Фобоса ( см. например [2] и [3]) имели значительно
большую погрешность. Масса марсианской луны Фобос определялась несколько раз по данным
радиотелеметрии и траекторным измерениям. Полученные величины GM Фобоса существенно
различаются и лежат в диапазоне между 0.585x10-3 км3/с2 (Smith и другие., 1995) и 0.85x10-3 км3/с2
(Williams и другие., 1988). Самые ранние оценки (Christensen и другие., 1977; Tolson и другие., 1977;
Williams и другие., 1988; Kolyuka и другие., 1990) были сделаны по данным радиотелеметрии,
полученным в течение завершения пролетов орбитальных аппаратов Викинг 1 и 2 и Фобос-2, в то время
как самые современные оценки были вычислены из отдаленных сближений, однако основанных на
большой базе данных, главным образом данных траекторных измерений станций Марс Глобальный
Инспектор, Одиссей и Марс Экспресс, (Yuan и другие, 2001; Konopliv и другие, 2006; Rosenblatt и
другие, 2008). MЭ, однако, является в настоящее время единственным космическим кораблем у Марса,
который способен выполнить близкие пролеты рядом с Фобосом. Первые два пролета использовались
для измерения массы Фобоса: первый 23-его марта 2006г. на расстоянии 460 км, и второй 17-ого июля
2008г. на расстоянии 274 км. Данные траекторных измерений были проанализированы для определения
с высокой точностью орбиты космического корабля, с учетом релятивистских поправок при
моделировании допплеровского сдвига частоты сигнала. Затем данные траекторных измерений были
калиброваны для земной ионосферы и тропосферы и фильтрованы, чтобы уменьшить шумы данных.
Масса Фобоса была определена, применяя метод наименьших квадратов при сравнении модели и
измерений траекторных данных, как величина GM = 0.709 ± 0.002 x 10-3 км3/с2. Значение массы
находится в хорошем согласии со значениями, полученными из недавних оценок, основанных на
отдаленных сближениях и показывает очень маленькую статистическую ошибку. В зависимости от
выбора величины объема оценивают, что средняя плотность Фобоса лежит в диапазоне 1849 - 1870
кг\м3.
Ниже приведены значения гравитационного параметра GM и средней плотности Фобоса ρ по
предшествующим и последней работам:
Фобос: GM (2005) = (0.716±0.0005)×10−3км3/с2,
Фобос: GM (2008) = 0.709 ± 0.002 x 10-3 км3/с2 ,
Фобос: GM (2010) =0.7127 ± 0.0021 x 10-³ км³/с²,
Деймос: GM(2005) = (0.98±0.07)×10−4 км3/с2.
ρ (2008) = 1860 ± 10 кг/м3.
ρ (2010) = 1876 ± 20 кг/м3.
Необходимо отметить, что по данным, переданным космическим аппаратом "Фобос-2" перед его
выходом из строя [4, 5], магнитное поле небольшого спутника Марса (диаметр Фобоса - всего 22 км),
примерно такой же мощности, как и у Земли, т.к. имеет величину 0.6 гаусса (600 мкТ или 600 000 нТ).
В связи с этим есть основания полагать, что свыше трети массы Фобоса составляет магнитное вещество,
которое имеет гораздо большую плотность, чем скальные породы. Поэтому ограничения на
соответствующий диапазон пористости тела (30 % ± 5 %) должны быть, очевидно, скорректированы в
большую сторону. Наличие на Фобосе магнитного вещества (металлы или их окислы) также может
объяснить ранее отмеченнную высокую внутреннюю прочность спутника, несмотря на его большую
пористость. Данные, полученные к настоящему времени, указывают на то, что по совокупности
рассмотренных выше свойств Фобос является единственным в Солнечной системе.
2. Предварительные данные радара MARSIS для Фобоса
По информации, приведенной в [6], радар MARSIS на борту орбитального аппарата Марс Экспресс снова успешно наблюдал Фобос. MARSIS – многочастотный орбитальный радар с
синтезированной апертурой, , который работает в диапазоне 1.3 – 5.5 МГц с полосой пропускания
радиочастотного тракта 1 МГц.
Самый близкий облет Фобоса, в котором в течение этого плодотворного сезона использовался
MARSIS, имел место 7-ого марта 2010г., в течение 7915-ой орбиты Марс Экспресс, когда орбитальный
аппарат достиг минимального расстояния от поверхности Фобоса приблизительно 112 км. Из
соображений безопасности для инструмента, программное обеспечение радара блокирует его действие,
когда цель ближе чем 240 км. Поэтому команда должна была изобрести новую установку главных
навигационных параметров, что позволило уменьшить минимальное эксплуатационное расстояние до
175 км, при поддержании высокого уровня безопасности для аппаратных средств ЭВМ инструмента.
В течение этого сближения MARSIS успешно собрал 6478 эхосигналов от Фобоса за 72 секунды.
Частота корабля была сосредоточена на 4.0 МГц с полосой пропускания 1 МГц. Пользуясь
преимуществами массива внутренней памяти инструмента, было возможно сохранить и затем передать
на Землю сырое необработанное эхо.
После обработки научных данных на Земле было найдено, что радар в течение сближения работал
успешно. Рисунок выше показывает эхо, отраженное Фобосом, самый высокий пик в сигнале
значительно выше уровня шумов. Научный анализ результатов все еще продолжается. Главные задачи
поиска – определение происхождения обнаруженного эхо: это отражения от различных поверхностных
особенностей Фобоса, или они были произведены внутренней структурой луны?
Радар MARSIS был первоначально предназначен исключительно для наблюдения Марса. Однако,
благодаря итальянской команде исследователей, работающей в сотрудничестве с международной
научной командой инструмента, была сделана eго реконфигурация, чтобы позволить наблюдение
марсианской луны Фобос, уникальной цели, значительно расширив научные возможности миссии.
На первой стадии анализа данных главная цель состояла в том, чтобы утвердить новую
действующую конфигурацию бортового программного обеспечения и аппаратных средств ЭВМ.
Научный анализ существующих и будущих данных обеспечит нас новыми и уникальными знаниями о
природе внутренностей Фобоса.
3. Предварительные данные радиоизмерений допплеровского сдвига частоты станции Марс
Экспресс
Команда радиоизмерений станции Марс Экспресс во главе с Мартином Пацолдом (Кельнский
Университет) [7] выполнила предварительный анализ радиотелеметрических данных,
зарегистрированных в течение самого близкого подхода к Фобосу, вечером 3 марта 2010г.
Последнее ночное сближение было достаточно близким, чтобы дать ученым наиболее полные
данные о гравитационном поле Фобоса. Марс Экспресс начал ретранслировать радиосигнал с Земли в
21:20 CET (20:20 UT). Генераторы радиочастоты на Земле в 100 000 раз более стабильные, чем
генераторы на космическом корабле, так что для этого эксперимента, который требовал наилучшей
возможной точности, сигнал был послан к Марс Экспресс, и затем возвращен космическим кораблем на
Землю.
Путешествие радиоволн со скоростью света вчера вечером потребовало 6 минут 34 секунды,
чтобы с Земли добраться до космического корабля. Так что время путешествия туда и обратно было 13
минут 8 секунд. Как только сигнал был получен на Земле, было видно, что он сильный и хороший.
Настолько сильный, что радиолюбители также были способны принять сигнал, хотя их оборудование не
позволит обнаружить тонкие изменения, вызванные гравитацией Фобоса.
Наземная станция НАСА DSS-63 около Мадрида сделала запись частоты переданного сигнала в
диапазонах приблизительно 8.4 GHz и 2.3 GHz, который содержит подпись гравитационного поля
Фобоса. Чтобы быть способными расшифровать эту слабую подпись, команда вычла все известные
изменения частоты, которые были бы измерены даже в отсутствии Фобоса. То, что осталось,
произведено гравитационным притяжением станции Марс Экспресс к Фобосу.
Серая линия на изображении показывает, как изменяется частота в течение 20-минутного окна, с
центром на самом близком подходе к Фобосу. Перед самым близким подходом влияние Фобоса на
космический корабль незначительно. Затем есть явный скачок в частоте при самом близком подходе.
Это - Фобос, слегка изменяющий орбиту станции Марс Экспресс.
Синяя линия - ожидаемое изменение частоты, если считать, что масса Фобоса, измеренная в
течение предыдущего сближения, равномерно распределена повсюду внутри луны. Есть ясные
маленькие различия между синей и серой линиями. Теперь команда радиоизмерений должна извлечь из
этих маленьких различий информацию относительно распределения массы внутри Фобоса.
“ Реальная работа теперь только начинается , ” говорит Пацолд. “ Может потребоваться несколько
недель для извлечения точной информации относительно внутренностей Фобоса, ” заявил Том Андерт
из Мюнхенского Университета.
Сближение станции Марс Экспресс с Фобосом наблюдалось также тремя европейскими
станциями сети VLBI: 20 м радиотелескопом Wettzell (Германия), 14 м Metsähovi (Университет Aalto Школа науки и техники, Финляндия), и 40 м Yebes (Observatorio Astronуmico Nacional, Испания).
Обработка данных была выполнена в радиообсерватории Metsähovi, а анализ - в Объединенном
Институте VLBI в Европе (Нидерланды).
На графике показан остаточный допплеровский сдвиг частоты, который измерен радиотелескопом
Wettzell. Острое колебание линии частоты космической станции в 21:03 UT соответствует самому
близкому приближению космического корабля Марс-Экспресс к Фобосу. Люди, которые внесли вклад в
этот проект - Guifre Molera Calves и Jan Wagner (MRO, Finland), Gerhard Kronschnabl (BKG, Germany),
Pablo de Vicente (OAN-IGN, Spain), и Сергей Погребенко (JIVE, The Netherlands).
4. Новое доказательство происхождения параллельных углублений на Фобосе от камеры
HRSC орбитальной станции Марс Экспресс
В многочисленных предыдущих гипотезах относительно происхождения углублений на Фобосе
большинство авторов соглашались, что их формирование находится в некоторой связи со способом
создания кратера Стикни, самым большим кратером на Фобосе диаметром почти 10 км [8]. Основным
аргументом ассоциации со Стикни было то, что углубления формируют паттерн, который является
приблизительно радиальным относительно Стикни. Однако, такие гипотезы были основаны на
неполной картографии спутника, самая большая плохо-отображенная область является смежной с
западным валом вокруг Стикни. Многое из неизвестной области теперь было отображено HRSC и
сделана новая карта углублений по этому и всем другим доступным снимкам. Впечатление от
углублений, радиальных Стикни, было экспонатом предыдущего отображения. К востоку от Стикни эта
идея ещё может быть поддержана, но к западу от него паттерн тангенциален к кратеру. По ширине
спутника углубления сосредоточены не у Стикни, а у ведущей вершины Фобоса на его орбите (то есть
90 ° долготы и 0 ° широты.). Ориентации углублений весьма независимы от Стикни и не имеют
никакого отношения к нему.
Характеристики углублений: углубления могут быть сгруппированы по крайней мере в 12
семейств различных возрастов. Наиболее полное из этих семейств - то, которое доминирует над
большинством северного полушария Фобоса, и формирует непрерывные параллельные штрихи,
которые покрывают большинство рис. 1. Это семейство имеет следующие характеристики:
· оно покрывает значительно меньше, чем одно полушарие Фобоса
· углубления лежат в плоскостях, ппересекающих поверхность Фобоса, и которые являются
параллельными друг другу.
· плоскость, проходящая через центр Фобоса, также проходит через его ведущую вершину.
Другие семейства углублений, хотя в некоторых случаях гораздо менее полные и состоящие
только из нескольких углублений или цепочек кратеров, имеют те же самые характеристики, и взятые
вместе, все семейства углублений имеют две других общих характеристики:
· углубления от различных семейств стали параллельными друг другу только по меридианам подМарса
и антиМарса.
· Есть “ зона предотвращения ” вокруг замыкающей вершины Фобоса на его орбите (то есть 270 °
долготы, 0 ° широты), где все углубления исчезают.
Углубления могут состоять из близко расположенных перекрывающихся ям с поднятыми краями, и
многие кажутся идентичными по морфологии и полному виду с цепями вторичных ударных кратеров.
Но если они – вторичны от первичных, они не могут возникнуть от воздействий на Фобос, так как его
скорость убегания (и поэтому их максимальная вторичная скорость воздействия) - приблизительно 3 м в
секунду, и хотя взаимодействие с гравитационным полем Марса может повысить её до 10 м в секунду,
это все еще слишком мало, чтобы сформировать кратеры. Гораздо более вероятным источником
вторичных цепей воздействия были бы выбросы от воздействий на Марс. “ Зона предотвращения ” на
обратном конце Фобоса тогда объяснилась бы как область, которую выбросы с Марса не могут достичь,
потому что скорость движения Фобоса по его орбите превышает скорость выбросов.
Рис. 1 Снимок HRSC с орбиты 756 показыает главное семейство углублений, охватывающее северное
полушарие. Стикни - большой кратер внизу слева.
По этой гипотезе, каждое семейство углублений происходит из единственного (отдельного) воздействия
на Марс, и составлено из радиально (эффективно параллельных на расстоянии Фобоса) соединных
цепочек кратеров. Скорость и направление прибытия выброса получены из угла предотвращения e,
(определенного как минимальный угол между ведущей вершиной Фобоса и точкой, где семейство
углублений исчезает около обратного конца Фобоса) и d, наклонения плоскостей углублений к
плоскости орбиты Фобоса. Из этих данных возможно вычислить траекторию выброса с Марса,
воздействующего на спутник, используя числовую интеграцию Гаусса-Джэксона восьмого порядка, со
сферическим приближением марсианского поля гравитации. В лабораторных экспериментах многие
выбросы от гиперскоростного воздействия улетали под углом возвышения приблизительно 45 ° к
горизонту. Если мы ограничиваем угол запуска с Марса до 45 °, то может быть получена широта
кратера выброса на Марсе. Так как Марс вращается, нет никакого решения по долготе. Используя этот
метод, рис. 2b показывает предсказанные ориентации цепей вторичных кратеров от 6 отдельных
воздействий на Марс, которые соответствуют карте углублений, показанной на рис. 2a. В завершение
эта гипотеза указывает, что Фобос должен был быть на орбите вокруг Марса, с тем же самым
захваченным вращением и ориентацией как сегодня, по крайней мере с тех пор, когда сформировались
углубления.
180°
150
Anti-Mars
Meridian
120°
90°
60°
30°
Leading hemisphere
0°
Sub-Mars
Meridian
330°
300°
270°
240°
210°
Trailing hemisphere
180°
Anti-Mars
Meridian
Рис. 2a (вверху) Эскизная карта углублений на Фобосе по снимкам HRSC, MOC и Викинга.
Рис. 2b (внизу): Модель ориентации цепей вторичных кратеров от воздействий на Марс.
5. Планы дальнейших исследований
Учитывая существующую круговую полярную орбиту Марс Экспресс (означающую, что орбита
проходит над Северным и Южным полюсами красной планеты и изменяется по высоте от довольно
близкой к весьма далекой), и почти круглую и экваториальную орбиту Фобоса, сближения между
телами могут ожидаться каждые пять месяцев. Однако количество пролетов, их геометрия и самые
близкие расстояния сближений всегда различны.
Итак, что относительно следующих кампаний? Давайте посмотрим вперед на следующие два
'сезона' сближений.
Следующий произойдет в августе 2010г., с девятью пролетами в пределах 1200 км от Фобоса.
Самый близкий подход будет приблизительно в 403 км от ночной стороны Фобоса 24 августа 2010г.
Затем между декабрем 2010г. и январем 2011г. запланированы 10 пролетов, с самым близким,
находящимся в пределах 96 км от дневной стороны луны, 9 января 2011г. (Это, между прочим , грубо за
четыре недели перед проходом Марса позади Солнца (как видно с Земли), и только за несколько дней
до того, как Марс Экспресс остановят на период около 6 недель из-за этого так называемого '
Солнечного соединения ').
Мощные камеры, спектрометры и другие инструменты на Марс Экспресс в это время смогут
показать удивительные детали; повторные пролеты увеличат охват поверхности Фобоса, помогая
подтвердить или улучшить предыдущие результаты, пополнить существующие базы данных, и
возможно даже сделать новые открытия.
Ссылки
1. Andert, T. P., P. Rosenblatt, M. Pätzold, B. Hausler, V. Dehant, G.L. Tyler, and J. C. Marty (2010),
Precise Mass Determination and the Nature of Phobos, Geophys. Res. Lett., doi:10.1029/2009GL041829, in
press. (accepted 22 March 2010)
2. T. P. Andert, M. Patzold, B. Hausler. The mass of Phobos. EPSC Abstracts, Vol. 4, EPSC2009-65,
2009 European Planetary Science Congress, © Author(s) 2009,
http://meetingorganizer.copernicus.org/EPSC2009/EPSC2009-65.pdf
3. Andert, T. P.; Pätzold, M.; Häusler, B. Precise mass determination of the Mars moon Phobos from
Mars Express close flybys. American Geophysical Union, Fall Meeting 2008, abstract #P53A-1431.
4. В.Г.Мордовская, В.Н.Ораевский, В.А.Стяжкин, Ю.Рустенбах. Экспериментальные
свидетельства существования магнитного поля Фобоса. Материалы ВСЕРОССИЙСКОЙ
АСТРОНОМИЧЕСКОЙ КОНФЕРЕНЦИИ, 2001г. Петродворцовый учебно-научный центр СПбГУ 612 августа 2001 г. http://urania.astro.spbu.ru/ASTROCONF/planets.html
5. Спутник Марса Фобос обладает столь же мощным магнитным полем, как и Земля.
http://grani.ru/Society/Science/p.16752.html, http://www.izmiran.rssi.ru
6. First look at the MARSIS radar data for Phobos. http://webservices.esa.int/blog/blog/7
7. Preliminary radio science results just in. http://webservices.esa.int/blog/post/7/1065
8. John B.Murray, Jonathan C.Iliffe, Jan-Peter A.L.Muller, Gerhard Neukum, Stephanie Werner, Matt
Balme & the HRSC Co-Investigator Team. NEW EVIDENCE ON THE ORIGIN OF PHOBOS’ PARALLEL
GROOVES from HRSC MARS EXPRESS. Lunar and Planetary Science XXXVII (2006).
http://www.lpi.usra.edu/meetings/lpsc2006/pdf/2195.pdf